Convertidor DC/DC de Alta Eficiencia para Parkings de Bicicletas Alimentados con Batería

Abstract

El presente Trabajo de Fin de Grado aborda el diseño de un convertidor DC-DC buck-boost no inversor, concebido como solución eficiente, compacta y fiable para la alimentación de electrónica de control en entornos con alta variabilidad de tensión, como los sistemas basados en energía solar. La creciente penetración de renovables y la expansión de dispositivos autónomos requieren convertidores capaces de mantener una salida estable e independiente de las condiciones ambientales, optimizando al mismo tiempo el rendimiento y el tamaño del sistema.

El proyecto se centra en la implementación de un convertidor basado en el controlador LM51772 de Texas Instruments, capaz de transformar tensiones de entrada entre 8 V y 48 V en una salida regulada de 12 V con hasta 5 A de corriente. La topología escogida, un buck-boost de cuatro transistores, permite conservar la polaridad de la señal y operar con alta eficiencia en todo el rango de tensiones, constituyendo una alternativa idónea para aplicaciones donde espacio, coste y robustez resultan críticos.

El sistema se estructura en dos bloques: el de control, formado por el LM51772 en modo corriente con lazo de realimentación, y el de potencia, compuesto por cuatro transistores GaN IGC019S06S1, condensadores de entrada y salida, y una bobina de 3,3 µH. Los transistores de GaN, capaces de trabajar a 600 kHz, permiten reducir pérdidas y tamaño. La PCB se ha diseñado en dos capas, con planos separados para masa analógica y de potencia, además de puntos de test para verificación.

En conclusión, el convertidor propuesto ofrece una solución avanzada, escalable y reproducible, con alta eficiencia y diseño compacto, apta para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos, vehículos eléctricos ligeros o entornos industriales descentralizados.

This Final Degree Project focuses on the design of a non-inverting buck-boost DC-DC converter, conceived as an efficient, compact, and reliable solution for powering control electronics in environments with highly variable input voltages, such as solar-based systems. The increasing penetration of renewable energies and the growth of autonomous devices demand converters capable of maintaining a stable output regardless of environmental conditions, while optimizing both performance and system size.

The project is based on the implementation of a converter using Texas Instruments’ LM51772 controller, designed to transform input voltages ranging from 8 V to 48 V into a regulated 12 V output with a maximum load current of 5 A. The chosen topology, a four-switch non-inverting buck-boost, ensures polarity preservation and high efficiency across the entire operating range, making it especially suitable for applications where space, cost, and robustness are critical.

The system is divided into two main blocks: the control stage, composed of the LM51772 operating in current-mode with a feedback loop, and the power stage, which integrates four GaN transistors (IGC019S06S1), input/output capacitors, and a 3.3 µH inductor. The use of GaN devices, operating at 600 kHz, reduces switching losses and system size. The PCB has been designed with two layers, including separated planes for analog and power ground, as well as test points for functional verification.

In conclusion, the proposed converter provides an advanced, scalable, and reproducible solution with high efficiency and compact design. It is well suited for integration in photovoltaic systems, light electric vehicles, and decentralized industrial applications.